CC BY
17
УДК 544.35+539.21
В.А. Щербаков*, Ю.А. Салатова, Л.Х. Хасанова, М.Ю. Королёва Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ СОРБИТАНМОНООЛЕАТА НА СТРУКТУРУ ВЫСОКОПОРИСТОГО ПОЛИСТИРОЛА, ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ ОБРАТНЫХ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Была исследована устойчивость обратных эмульсий состава: стирол/сорбитанмоноолеат/водная фаза с содержанием сорбитанмоноолеата от 0,2 до 6,3 об.%. Установлено, что эмульсии с долей ПАВ менее 0,4 об.% неустойчивы к седиментации и коалесценции, а при доле ПАВ более 2,5 об.% эмульсии неустойчивы только к седиментации. На основе устойчивых обратных эмульсий получены образцы высокопористого полистирола. Оптимальное содержание ПАВ в обратных эмульсиях для получения высокопористой структуры составило 0,40,8 об.%. При содержании ПАВ более 0,8 об.% структура высокопористого полистирола была частично разрушенной.
Ключевые слова: высококонцентрированная обратная эмульсия, устойчивость, пористая структура, высокопористый полистирол.
В последние годы значительно возрос интерес к высокопористым материалам, которые являются перспективными для применения в
микроэлектронике, мембранных процессах, катализе, хроматографии и др. Одним из способов получения высокопористых полимерных материалов является метод, основанный на полимеризации обратных высококонцентрированных эмульсий. Устойчивые к коалесценции обратные эмульсии с различным содержанием водной фазы применяются в различных отраслях промышленности, фармацевтике, медицине [1, 2] и могут быть использованы для получения пористых материалов [3]. В таких системах, контролируя долю дисперсной фазы и состав [4], становится возможным получать материалы [5] с заданной пористостью.
При создании высокопористых материалов особое внимание уделяется сохранению их прочности, так как с увеличением количества пор, прочность материалов снижается. При получении пористых полимерных материалов на основе обратных эмульсий, предположительно, на структуру пор и, как следствие, прочность материалов может оказывать влияние количество поверхностно-активного вещества, используемого для стабилизации обратных эмульсий.
В данной работе обратные
высококонцентрированные эмульсии (ВКЭ) были получены методом высокоэнергетического диспергирования. Доля дисперсной фазы во всех эмульсиях была равна 0,75. Для стабилизации обратных ВКЭ, в качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ) использовали Span 80 -сорбитанмоноолеат. Доля ПАВ варьировалась в диапазоне от 0,2 до 6,3 об.% от общего объема эмульсии.
Об устойчивости обратных ВКЭ судили по скорости отслаивания водной и органической фаз при 25 °С. В образцах с долей ПАВ меньше 0,4 об.% наблюдалось быстрое отслаивание водной фазы с последующим расслаиванием эмульсии на две фазы. В образцах с долей ПАВ больше 2,5 об.% наблюдалось отслаивание органической фазы, причем скорость отслаивания органической фазы увеличивалась с ростом доли ПАВ в системе (рис.1).
Время, ч
Рис. 1. Кинетические кривые отслаивания органической фазы из эмульсий с разной концентрацией ПАВ
Эмульсии, в которых не наблюдалось отслаивания органической и водной фаз в течение 24 часов, были получены при доле ПАВ от 0,4 до 2,5 об.%.
На основе наиболее устойчивых обратных эмульсий при полимеризации дисперсионной среды, состоящей из мономера, были получены образцы высокопористого полистирола. Для инициирования процесса полимеризации в систему добавляли инициатор полимеризации - персульфат аммония. Процесс полимеризации проводили при 60°С. Дисперсную фазу удаляли посредством лиофильной сушки (FreeZone, Labconco). Для визуализации структуры полученных образцов высокопористого полистирола использовали сканирующий
электронный микроскоп (JSM-6510LV, JOEL).
Микрофотографии полученных образцов высокопористого полистирола приведены на рис. 2. Типичной структурой материалов, полученных при полимеризации обратных эмульсий, является присутствие сферических «пустот» и «отверстий». «Пустоты» образуются на месте капель дисперсной фазы при ее удалении. А «отверстия» при частичной коалесценции капель дисперсной фазы в не полностью полимеризованном материале.
По микрофотографиям видно, что образец «А» имел типичную структуру пор, так как в нем присутствовали и «пустоты», и «отверстия». В этом материале не было участков с разрушенными стенками. В образце «Б» присутствовали «пустоты», однако также наблюдались участки с разрушенной структурой. Образцы «В» и «Г» имели в высокой степени разрушенную структуру пор.
Таким образом, с ростом доли ПАВ в обратных эмульсиях наблюдалось ухудшение структуры высокопористого полистирола, получаемого на их основе. Для стабилизации капель дисперсной фазы было использовано маслорастворимое ПАВ -сорбитанмоноолеат. При высоком содержании ПАВ молекулы стабилизатора не только адсорбируются на границе раздела фаз в эмульсии, но и растворяются в дисперсионной среде. Поэтому увеличение доли ПАВ в исследованных эмульсиях приводило к разбавлению мономера, содержащегося в дисперсионной среде, что препятствовало образованию прочной полимерной структуры. Наиболее прочный материал бы получен при доле ПАВ от 0,4 до 0,8 об.%. При дальнейшем увеличении доли ПАВ материал становился хрупким.
Рис. 2. Микрофотографии пористого полистирола, полученного на основе обратных эмульсий с долей ПАВ
0,4 об.% (А), 0,8 об.% (Б), 1,0 об.% (В), 2,5об.% (Г)
Работа выполнена с частичным использованием оборудования ЦКП РХТУ им. Д.И. Менделеева. При финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части госзадания № 2014/171 и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» в рамках договора №9681 от 01 февраля 2016 г.
Щербаков Вячеслав Александрович, магистрант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И.Менделеева, Россия, Москва.
Салатова Юлия Александровна ,студентка кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Хасанова Ляйсан Ханифовна, студентка кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Королева М.Ю., Юртов Е.В. Наноэмульсии: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии. - 2012. - Т. 81. - С. 21-43.
2. Юртов Е.В., Королева М.Ю. Экстракционные жидкие мембраны // Мембраны и мембранные технологии. -2014. - Т. 4. - С. 163.
3. Silverstein M.S. PolyHIPEs: Recent advances in emulsion-templated porous polymers // Progress in Polymer
Science. - 2014. - V. 39. - №. 1. - P. 199-234.
4. Yurtov E.V., KorolevaM.Yu. Emulsion for liquid membrane extraction: Properties and peculiarities // ACS Symposium Series № 642: Chemical separations with liquid membranes. - Washington, DC, - 1996, - P. 89-102
5. Чекрыгина М.Ю., Королёва М.Ю. Получение пористого полистирола на основе высококонцентрированных обратных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2013. - Т. 27. - № 6. - С. 128-131.
Shcherbakov Vaycheslav Alexandrovich*, Salatova Julia Alexandrovna, Khasanova Lyaysan Khanifovna, Koroleva Marina Yurievna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]
THE EFFECT OF SORBITAN MONOOLEATE ON THE STRUCTURE OF A HIGHLY POROUS POLYSTYRENE OBTAINED FROM THE HIGHLY CONCENTRATED W/O EMULSIONS
Abstract
The stability of W/O emulsion styrene / sorbitan monooleate / water with sorbitan monooleate concentration from 0.2 to 6.3 vol%. was investigated. It was established that emulsions with a surfactant concentration less than 0.4 vol.% are unstable towards sedimentation and coalescence, and ones with surfactant concentration above 2.5 vol.% are unstable towards sedimentation only. Highly porous polystyrene was obtained from stable W/O emulsions. Surfactant concentration in W/O emulsion that is optimal for preparation of highly porous polystyrene was 0.4-0.8 vol.%. If the concentration of surfactant is above 0.8 vol.% the structure of highly porous polystyrene was partially damaged.
Key words: concentrated W/O emulsion, stability, porous structure, highly porous polystyrene.
